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WO2016075983A1 - Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金とはんだ材料並びにこのはんだ合金又ははんだ材料を用いて封止された電子部品及び電子部品搭載装置 - Google Patents

Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金とはんだ材料並びにこのはんだ合金又ははんだ材料を用いて封止された電子部品及び電子部品搭載装置 Download PDF

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WO2016075983A1
WO2016075983A1 PCT/JP2015/074211 JP2015074211W WO2016075983A1 WO 2016075983 A1 WO2016075983 A1 WO 2016075983A1 JP 2015074211 W JP2015074211 W JP 2015074211W WO 2016075983 A1 WO2016075983 A1 WO 2016075983A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solder
mass
solder alloy
reflow
less
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2015/074211
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
永田　浩章
栄治 村瀬
清水　寿一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Mining Co Ltd filed Critical Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority to EP15858979.6A priority Critical patent/EP3219432B1/en
Priority to US15/525,811 priority patent/US10589387B2/en
Publication of WO2016075983A1 publication Critical patent/WO2016075983A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3013—Au as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
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    • C22C5/02—Alloys based on gold
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3465—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices

Definitions

  • the present invention relates to a high-temperature Pb-free solder alloy having excellent reflow wettability and solderability.
  • the present invention relates to a solder alloy and a solder material mainly composed of Au, and an electronic component sealed using the solder alloy or the solder material.
  • solder materials used for the purpose of joining electronic components to the board.
  • Lead has been used as a main component in solder materials for a long time, but it has already been a regulated substance under the Rohs Directive. For this reason, development of solder materials that do not contain lead (Pb) (hereinafter referred to as lead-free solder materials or lead-free solder materials) has been actively conducted.
  • Solder materials used when joining electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 to 400 ° C.) and medium and low temperature (about 140 to 230 ° C.) depending on the use limit temperature.
  • high-temperature and medium-low temperature products a medium-low-temperature solder material is mainly composed of Sn and a lead-free solder material has been put into practical use.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-77366 shown in Patent Document 1 includes Sn as a main component, Ag of 1.0 to 4.0% by weight, and Cu of 2.0.
  • a lead-free solder alloy composition containing no more than wt%, Ni no more than 1.0 wt% and P no more than 0.2 wt% is described.
  • Patent Document 2 discloses an airtight terminal using a Bi—Ag alloy film containing 30 to 80% by mass of Bi as a solder material.
  • Au—Sn alloys, Au—Ge alloys and the like are already used in quartz devices, SAW filters, MEMS, and the like as Au-based high-temperature Pb-free solder materials.
  • Au-based high-temperature Pb-free solder material in practical use includes Au-20 mass% Sn (meaning composed of 80 mass% Au and 20 mass% Sn, and so on). This is the composition of the eutectic point and its melting point is 280 ° C.
  • Au-12.5 mass% Ge which has been put into practical use, has a composition of eutectic points and a melting point of 356 ° C.
  • Au-Sn alloy and Au-Ge alloy are properly used depending on the melting point.
  • a mounting component using a high-temperature solder material must have a heat resistance of 260 ° C. as a minimum.
  • Au—Sn alloys having a melting point of 280 ° C. are mainly used for mounting parts that require heat resistance of about 260 ° C.
  • an Au—Ge alloy is used.
  • Au-Sn alloys are used for encapsulating quartz devices that require particularly high reliability due to their melting point characteristics and good reflow wettability.
  • Au-based alloys are very hard compared to Pb-based solder alloys and Sn-based solder alloys, and it is very difficult to process them into sheet shapes. Therefore, productivity and yield are poor, causing cost increase.
  • the raw material cost is much higher than that of Pb or Sn solder materials. Therefore, a cheaper product is demanded. Therefore, in order to make this Au—Sn alloy inexpensive and easy to use, for example, an Au-based solder material shown in the following Patent Document 3 has been developed.
  • Patent Document 3 has a composition ratio (Au (wt%), Ag (wt%), Sn (wt%)) as a ternary composition diagram of Au, Ag, and Sn.
  • a brazing material characterized in that it is in a region surrounded by. This is intended to provide a brazing material and a piezoelectric device which are relatively low melting point, easy to handle, excellent in strength and adhesion, and inexpensive.
  • the Au—Sn solder material and Au—Ge solder material that have been put into practical use are used for soldering in places that require particularly high reliability, such as crystal devices, SAW filters, and MEMS. However, it is hard to say that it is widely used.
  • Au-based solder alloys are very hard and difficult to process. Therefore, for example, when rolling into a sheet shape, it takes time, or a roll made of a special material that is difficult to wrinkle must be used.
  • cracks and burrs are likely to occur due to the hard and brittle nature of Au-based solder alloys during press molding. Therefore, the yield is remarkably low compared with other solder materials, and the cost becomes very high.
  • Patent Document 3 shows a composition ratio (Au (wt%), Ag (wt%), Sn (wt%)) in a ternary composition diagram of Au, Ag, and Sn.
  • Point A1 (41.8, 7.6, 50.5), Point A2 (62.6, 3.4, 34.0), Point A3 (75.7, 3.2, 21.1), Point A4 (53.6, 22.1, 24.3), Point A5 (30.3, 33.2, 36.6) It is set as the composition in the area
  • Patent Document 3 since the brazing material is melted at a stretch with the powerful power of the laser, the wettability is good for any composition having a melting point of 236 to 498 ° C. However, the solid phase lines and liquid phase lines of Examples 1 to 10 are often largely separated. However, the wettability described in Table 2 of Patent Document 3 is data indicating sealing properties, and is data different from general wettability. Therefore, the reflow wettability is unknown.
  • the heating rate is about 2 ° C./second, and the melting rate is slower than laser melting. Therefore, if the solid phase line and the liquid phase line are separated from each other by 40 ° C. or more, the melting method is not constant and the separation occurs, which may cause a problem in reflow wettability.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and the object of the present invention is excellent in reflow wettability that can be sufficiently used even during reflow bonding of a quartz device, a SAW filter, a MEMS, and the like.
  • the object is to provide a high-temperature Au—Ag—Sn solder alloy excellent in reliability at a low cost.
  • the Au—Sn—Ag solder alloy according to the present invention is composed of Sn, Ag, Au and elements inevitably included in the production, and has a solidus line of 280 to 400 ° C. and It is characterized by the composition adjusted so that the solidus and liquidus are within 40 ° C.
  • Sn is contained 21.1% by mass or more and less than 31.0% by mass
  • Ag is contained 0.1% by mass or more and 12.5% by mass or less, and the remainder is inevitable in production. Except for Au.
  • Sn is contained in an amount of 21.1% by mass or more and less than 31.0% by mass
  • Ag is contained in an amount of 0.1% by mass or more and 8.0% by mass or less, and the remainder is inevitably included in the production. Except for Au.
  • Sn is contained 21.1% by mass or more and less than 27.5% by mass
  • Ag is contained by 3.0% by mass or more and 8.0% by mass or less, and the remainder is inevitable in production. Except for Au.
  • the surface roughness after rolling is preferably 1 ⁇ m or less.
  • the cooling rate during casting is preferably 3 ° C./second or more.
  • the solder material of the present invention is characterized by being processed into a frame shape, a sheet shape, or a ribbon shape using the Au—Ag—Sn based solder alloy.
  • the electronic component of the present invention is characterized in that it is sealed using the above Au—Ag—Sn solder alloy or the above solder material.
  • the electronic component mounting apparatus of the present invention is characterized in that an electronic component sealed using the above Au—Ag—Sn solder alloy or the above solder material is mounted.
  • solder material used in a place requiring extremely high reliability such as a crystal device, a SAW filter, and a MEMS at a lower cost than a conventional Au-based solder material.
  • solder alloy of the present invention is excellent in workability, a high-temperature lead-free solder material can be manufactured with high productivity, and further cost reduction can be realized.
  • an Au-based solder material having sufficient reflow wettability, excellent solder processability, and high reliability can be provided. Therefore, the industrial contribution is extremely high.
  • the present inventor has excellent reflow wettability and solder processability by maintaining not only the composition of the additive element but also the temperature range of the melting point due to the solidus and liquidus in an appropriate range.
  • the present inventors have found that an Au-based solder alloy can be obtained and have reached the present invention.
  • the Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is composed of Sn, Ag, Au and elements inevitably included in production, and has a solidus of 280 to 400 ° C. and a solidus and liquidus of 40. It is a composition adjusted so that it may become within degrees Centigrade. With such a configuration and composition, sufficient reflow wettability can be maintained, and excellent solder processability can also be obtained.
  • the composition is made of Au except for the elements whose balance is inevitably included in the production.
  • the cost of the Au-type solder alloy which is very expensive can be reduced.
  • better wettability can be obtained by setting the surface roughness Ra after rolling to 1 ⁇ m or less.
  • the cooling rate at the time of casting the solder alloy to 3 ° C./second or more, better reflow wettability can be obtained.
  • Au is a main component of the solder alloy of the present invention and is an essential element. Since Au hardly oxidizes, it is most suitable in terms of characteristics as a soldering material for sealing and a joining soldering material for electronic parts that require high reliability. For this reason, Au-based solder materials are frequently used for sealing quartz devices and SAW filters.
  • the solder alloy of the present invention is also based on Au, and provides a solder material belonging to a technical field that requires such high reliability.
  • Au is a very expensive metal, it is often avoided from the viewpoint of cost, and is rarely used for electronic components that require a general level of reliability.
  • the reflow wettability and the solder preform processability are equal to or higher than those of the Au-20 mass% Sn solder alloy, and the Au content is reduced to reduce the cost. It has been lowered.
  • Sn is an essential element in the solder alloy of the present invention.
  • Content of Sn is 21.1 mass% or more and less than 31.0 mass%. The reason for this is that when the Sn content is 21.0% by mass or less in the composition to which Ag is added, the primary crystal Au 5 Sn 1 intermetallic compound (hereinafter referred to as ⁇ phase) increases rapidly and the liquidus line rapidly increases. To rise. As a result, the difference between the liquidus line and the solidus line becomes too large to cause melting and separation, resulting in poor reflow wettability. Furthermore, since the primary crystal grains of the ⁇ phase are increased, the workability is greatly reduced. In addition, the Au content cannot be reduced, and the cost reduction effect cannot be obtained.
  • the solidus line becomes 353 ° C. or less, the soldering temperature is lowered, and the influence of oxidation can be reduced. Since it can also solder on conditions with good reflow wettability, it is still more preferable.
  • ⁇ Ag> Ag is an essential element in the solder alloy of the present invention.
  • the melting point of the alloy 260 ° C. or higher is an essential condition in view of the heat resistance required for mounting parts using a high-temperature solder material.
  • the upper limit of the reflow temperature considering the workability of the apparatus is 400 ° C.
  • the melting point is required to be within 280 to 400 ° C.
  • the solidus line and the liquidus line is within 40 ° C., the reflow wettability is maintained without melting during reflow. For these reasons, it is necessary that the composition has a melting point within 280-400 ° C. and a solidus line and liquidus line within 40 ° C.
  • the alloy structure by adding Ag, a part of Au in the ⁇ phase is replaced with Ag, and becomes (Au (1-x) Ag x ) 5 Sn 1 intermetallic compound.
  • the ratio x of Ag replaced with Au by addition of Ag is 0 to 2/3, and the Ag content is 0.1 mass% or more and 12.5 mass% or less.
  • the ratio of the constituent AuSn intermetallic compound and (Au (1-x) Ag x ) 5 Sn 1 intermetallic compound is controlled, the melting point is within 280 to 400 ° C., and the solidus and liquidus lines are It is important to make the composition within 40 ° C.
  • the content of Ag that can maintain reflow wettability without resolving during reflow and that can improve workability by addition of Ag is 0.1% by mass or more and 12.5% by mass or less. . If it is less than 0.1% by mass, the performance improvement effect is hardly seen, and the cost reduction effect is hardly obtained. On the other hand, if it exceeds 12.5% by mass, an Ag 3 Sn 1 intermetallic compound is generated and becomes orthorhombic, so that it becomes brittle, and workability becomes extremely poor, so that rolling becomes difficult. Furthermore, due to the generation of this Ag 3 Sn 1 intermetallic compound, the difference between the solid phase line and the liquid phase line becomes too large, and the reflow wettability and workability deteriorate.
  • the solidus line becomes 350 ° C. or less, the soldering temperature is lowered, and the influence of oxidation can be reduced. Since it can also solder on conditions with good reflow wettability, it is still more preferable.
  • the solidus line becomes 350 ° C. or less, and the soldering temperature is lowered to cause the influence of oxidation. This is even more preferable because it can be reduced and soldering can be performed under conditions where the reflow wettability is better, and the effect of cost reduction by reducing the Au usage rate is sufficiently exhibited.
  • the Ag content is 3% or less, the Au saving rate is small, and a sufficient effect for cost saving, which is the initial purpose, cannot be obtained. Therefore, a content of 3% or more is more preferable.
  • the solder alloy of the present invention contains Au as a main component and Sn and Ag as essential additive elements.
  • inevitable impurities such as Cu and Ni can be contained within a range that does not affect the properties of the solder alloy of the present invention.
  • the total amount is desirably less than 100 ppm in consideration of the influence on the solidus line, wettability, and bonding reliability.
  • the production method of the Au-based solder alloy of the present invention is not particularly limited, and can be produced by a conventionally known method using each of the components described above.
  • a fine material having a shot shape or a piece processed product diameter of 5 mm or less, particularly 3 mm or less is used.
  • Use of a fine material is preferable because it makes it easy to form crystal grains of less than 50 ⁇ m in the resulting solder alloy, thereby improving workability.
  • This raw material is put into a melting furnace, and in an atmosphere of nitrogen or an inert gas to suppress oxidation of the raw material, it is heated and melted at 400 to 600 ° C., preferably 450 to 500 ° C.
  • a cylindrical graphite mold having an inner diameter of 30 mm or less and a thickness of about 10 mm can be used.
  • the stirring time varies depending on the apparatus and the amount of raw materials, but is preferably 1 to 5 minutes.
  • a material having good thermal conductivity for example, a chill metal made of Cu is adhered to the outside of the mold.
  • the cooling metal having a hollow structure made of a cooling metal is brought into close contact with the outside of the mold, and the cooling rate is 3 ° C./second or more up to about 280 ° C., depending on the composition.
  • the lamellar structure which is a eutectic part can be refined
  • the cross-sectional area of the ingot formed by continuous casting is reduced because the cooling rate can be improved.
  • a die having an inner diameter of 30 mm or less and cover the die with a water cooling jacket and cool at a cooling rate of 50 ° C./second or more in order to cool and solidify the molten metal in a short time.
  • the Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention thus obtained has a solidus of 280 to 400 ° C. and a difference between the solidus and liquidus of 40 ° C. With this characteristic, stable reflow wettability can be obtained without causing melting or the like during bonding to the substrate in a reflow furnace, and good solder bonding inside the electronic component can be achieved.
  • the solidus is measured using a differential scanning calorimeter (DSC) and is preferably 280 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. Furthermore, if the melting point is 350 ° C. or lower, the soldering temperature can be lowered to reduce the influence of oxidation and the like, and the reflow workability is improved. A solidus having a solidus below 280 ° C. is not preferable because sufficient heat resistance cannot be obtained. For compositions where the solidus exceeds 400 ° C, the reflow temperature must also exceed 400 ° C. Exceeding 400 ° C. is not preferable because the effect of oxidation or the like due to residual oxygen becomes remarkable and wettability becomes extremely poor.
  • DSC differential scanning calorimeter
  • the solidus is 350 ° C. or lower because the effect of oxidation by residual oxygen is hardly observed.
  • the liquidus is confirmed by measurement with a differential scanning calorimeter (DSC) and a melting test, and the difference between the solidus and the liquidus needs to be within 40 ° C, and is within 20 ° C. It is more preferable.
  • the difference between the solidus line and the liquidus line exceeds 40 ° C., there may be a portion that is solidified for a while even after melting starts. If it does so, wettability will become non-uniform
  • the difference between the solid phase line and the liquidus line is within 20 ° C., since the melting start time can be made almost simultaneously, and a more uniform and good melting shape can be obtained.
  • the surface roughness Ra after rolling is preferably 1.0 ⁇ m or less because wettability is improved.
  • Ra of 0.7 ⁇ m or less is more preferable because wettability is further improved.
  • the surface roughness Ra is measured by measuring the surface roughness Ra of each sample processed into a sheet shape with a laser microscope with a surface roughness meter (LEXT OLS4000), and calculating the arithmetic average roughness Ra. This arithmetic average roughness Ra is referred to Japanese Industrial Standard JIS B0601 (1994).
  • the Au-based solder alloy of the present invention is used for electronic component bonding and sealing methods, and an electronic component mounting board can be easily manufactured.
  • a Ni substrate (film thickness: 3.0 ⁇ m) Cu substrate (plate thickness: 0) was used to produce the joined body shown in FIG. .3 mm) 1 was set on the heater and then heated for 25 seconds.
  • the solder material 2 of Samples 1 to 34 was placed on the Cu substrate 1 and heated for 25 seconds, and then the 3 mm SQ chip 3 was placed on the solder material 2 and joined to produce the joined body shown in FIG. .
  • the Cu substrate was cooled in a cooling zone in a nitrogen atmosphere and taken out into the atmosphere.
  • solder alloy spread from the 3 mm SQ chip and the fillet was formed as “excellent”.
  • the fillet refers to a hem-spread shape that is formed by wetting and spreading the bonded solder alloy onto the chip side surface or Cu substrate.
  • the bonding reliability meets the standard, but considering the use in a harsh environment, a test that does not show a defect in 300 cycles can be tested for 500 cycles. Implemented, and confirmed higher bonding reliability.
  • the solder mother alloys of the samples 4 to 15 show good characteristics in each evaluation item.
  • the workability is good
  • no cracks are generated even when processed into a sheet
  • the solder processability is excellent even when compared with the samples 27 to 34 as comparative examples.
  • the reflow wettability of Samples 4 to 15 was “excellent”, and good results were obtained in the heat cycle test, which is an evaluation related to reliability, and no defect appeared even after 500 cycles.
  • Samples 9 to 10 all passed the evaluation, but compared with Samples 4 to 8 and 11 to 15, the amount of Ag added was small and the amount of Sn increased from 20.0% in the conventional composition was also small. Therefore, the reduction amount of Au is 5% or less, and the cost reduction effect is small.
  • sample 2 is almost a ternary eutectic and sample 1 is close to it, so the temperature difference between the solid and liquid phases is as small as 20 ° C., and sample 3 and sample 17 also have a temperature difference between about 21 and 20 Despite being as small as 22 ° C., the reflow wettability is “good” because the solidus is 350 ° C. or higher and the reflow temperature rises and the effects of oxidation and the like appear. .
  • the samples 18, 20, 22, and 24 were within the specified composition range for both Ag and Sn, and the temperature difference of the solid-liquid phase was within 40 ° C., so that the workability of the solder alloy was good.
  • the samples 19, 21, 23, and 25 were within the specified composition range for both Ag and Sn, and the temperature difference between the solid and liquid phases was within 40 ° C., and the solder alloy was excellent in workability. However, these were samples in which the cooling rate at the time of casting was slow, the crystal grain size was not controlled, the lamellar structure was coarse, the reflow wettability was lowered, and “good”. In the heat cycle test, no defect occurred after 300 cycles, but cracks were observed after 500 cycles, and the test was defective.
  • the sample of the sample 26 is a sample having the same composition as the sample 16 in which a lack of fillet formation has been confirmed in part after melting and a faster cooling rate during casting.
  • the crystal grain size generated in the primary crystal became finer, so that it became easier to melt, and the reflow wettability was improved to be “excellent”.
  • Samples 27 to 30 are within the specified composition range of both the Ag and Sn elements of the present invention, but the temperature difference between the solid and liquid phases exceeds 40 ° C., so that reflow wettability and solder alloy workability Both failed.
  • Ag is 5.0% by mass and Sn is 21.1% by mass.
  • Sn is 21.1% by mass.
  • Sn is 21.1% by mass, the amount of (Au, Ag) 5 Sn 1 increases and the liquidus rises, so that the temperature difference between the solid and liquid phases exceeds 40 ° C.
  • the solder material of the present invention is not only a good result in each of the above characteristics, but also has a small Au content as a whole, and is the most common eutectic point composition in Au-Sn solder alloys. It can be seen that the Au content can be sufficiently reduced as compared with Au-20 mass% Sn, and the cost can be reduced.

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Abstract

　Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ及び製造上不可避に含まれる元素から構成され、固相線が２８０～４００℃以内で且つ固相線と液相線が４０℃以内となるように調整された組成であることを特徴とするＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金により、水晶デバイス、ＳＡＷフィルターやＭＥＭＳ等のリフロー接合時においても十分に使用できるリフロー濡れ性に優れる高温用Ａｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金であって、特に低コストであり、はんだ加工性、リフロー濡れ性、そして信頼性に優れたはんだ合金を提供する。

Description

Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金とはんだ材料並びにこのはんだ合金又ははんだ材料を用いて封止された電子部品及び電子部品搭載装置
　本発明はリフロー濡れ性・はんだ加工性に優れた高温用のＰｂフリーはんだ合金に関する。そして本発明は、Ａｕを主成分としたはんだ合金とはんだ材料、及び該はんだ合金やはんだ材料を用いて封止した電子部品に関する。
　近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきている。この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くから鉛が主成分として使われ続けてきたが、すでにＲｏｈｓ指令などで規制対象物質になっている。このため、鉛（Ｐｂ）を含まないはんだ材料（以降、鉛フリーはんだ材料または無鉛はんだ材料と称する。）の開発が盛んに行われている。
　電子部品を基板に接合する際に使用するはんだ材料は、その使用限界温度によって高温用（約２６０～４００℃）と中低温用（約１４０～２３０℃）に大別される。高温用と中低温用のうち、中低温用はんだ材料に関してはＳｎを主成分とするもので鉛フリーはんだ材料が実用化されている。
　例えば、中低温用の鉛フリーはんだ材料としては、特許文献１として示す特開平１１－７７３６６号公報にはＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０～４.０重量％、Ｃｕを２.０重量％以下、Ｎｉを１．０重量％以下、Ｐを０.２重量％以下含有する無鉛はんだ合金組成が記載されている。
　一方、高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しても、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、特許文献２として示す特開２００２－１６００８９号公報には、Ｂｉを３０～８０質量％含んだＢｉ－Ａｇ合金膜をはんだ材料として用いる気密端子が開示されている。
　また、Ａｕ系の高温Ｐｂフリーはんだ材料としてＡｕ－Ｓｎ合金やＡｕ－Ｇｅ合金などが、すでに水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳ等で使用されている。
　実用化されているＡｕ系の高温Ｐｂフリーはんだ材料としては、Ａｕ－２０質量％Ｓｎ（８０質量％のＡｕと２０質量％のＳｎから構成されることを意味する。以下同様。）がある。これは共晶点の組成であり、その融点は２８０℃である。
　また、同様に実用化されているＡｕ－１２．５質量％Ｇｅは共晶点の組成であり、その融点は３５６℃である。
　Ａｕ－Ｓｎ合金とＡｕ－Ｇｅ合金は、融点の違いにより使い分けられている。高温はんだ材料を用いる実装部品は２６０℃の耐熱性が最低限必要である。そこで、２６０℃程度の耐熱性が求められる実装部品に対しては融点が２８０℃のＡｕ－Ｓｎ合金が主に用いられている。また、２８０℃より高い耐熱性が求められる場合にはＡｕ－Ｇｅ合金が用いられている。
　Ａｕ－Ｓｎ合金は融点特性と良好なリフロー濡れ性により、特に高信頼性が要求される水晶デバイス封止用として用いられている。しかし、Ａｕ系合金はＰｂ系はんだ合金やＳｎ系はんだ合金と比較して非常に硬く、シート形状などに加工することが非常に難しい。従って、生産性や収率が悪く、コストアップの原因になっている。その上、Ａｕ系合金の場合、原材料費がＰｂやＳｎのはんだ材料と比較して桁違いに高い。そのため、より安価な製品が求められている。そこで、このＡｕ―Ｓｎ合金を安価でさらに使いやすくするために、例えば次の特許文献３として示すＡｕ系はんだ材料が開発されている。
　特許文献３として示す日本国特開２００８－１５５２２１号公報には、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、 Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
  点Ａ１（４１．８，  ７．６，５０．５）、
  点Ａ２（６２．６，  ３．４，３４．０）、
  点Ａ３（７５．７，  ３．２，２１．１）、
  点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
  点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
  に囲まれる領域にあることを特徴とするろう材、が示されている。
　これは、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的としている。
日本国特開平１１－０７７３６６号公報 日本国特開２００２－１６００８９号公報 日本国特開２００８－１５５２２１号公報
　高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、上記、引用文献以外にもさまざまな機関で開発されてはいるが、未だ低コストで汎用性のあるはんだ材料は見つかっていない。すなわち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されている。そのため、高温用とは言っても作業温度を４００℃未満、望ましくは３７０℃以下にする必要がある。しかしながら、例えば特許文献２に開示されているＢｉ－Ａｇ合金をろう材として用いる場合は、液相線が４００～７００℃と高い。よって、接合時の作業温度も４００～７００℃以上にする必要があり、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまう場合が多く、適用できる電子部品や基板は非常に限られている。
　実用化されているＡｕ－Ｓｎ系はんだ材料やＡｕ－Ｇｅ系はんだ材料は、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そしてＭＥＭＳなどの特に高い信頼性を必要とする箇所のはんだ付けに使用されている。しかし、広く一般的に使用されているとは言い難い。加えて、Ａｕ系はんだ合金は非常に硬く、加工しづらい。そのため、例えば、シート形状に圧延加工する際に時間がかかったり、ロールに疵のつきづらい特殊な材質のものを用いたりしなければならない。また、プレス成形時にもＡｕ系はんだ合金の硬くて脆い性質のため、クラックやバリが発生し易い。したがって、他のはんだ材料に比較して収率が格段に低く、非常にコストが高くなってしまう。ワイヤ形状に加工する場合にもその硬さが問題となり、非常に圧力の高い押出機を使用しても十分な押出速度が得られず、Ｐｂ系はんだ材料の数１００分の１程度の生産性しか得られない。
　また、特許文献３は組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））を
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
  点Ａ１（４１．８，  ７．６，５０．５）、
  点Ａ２（６２．６，  ３．４，３４．０）、
  点Ａ３（７５．７，  ３．２，２１．１）、
  点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
  点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
  に囲まれる領域にある組成とする。
　これは、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的としている。
　特許文献３では、ろう材をレーザーの強力なパワーで一気に溶融して用いるため、２３６～４９８℃間の融点を持つ組成についてはいずれも濡れ性は良好となっている。しかし、実施例１～１０の固相線と液相線は大きく離れている場合が多い。但し、特許文献３の表２に記載されている濡れ性は封止性を示しているデータであり、一般的な濡れ広がり性とは異なるデータである。したがって、リフロー濡れ性については不明である。
　一方、一般的に使用されているリフロー炉を用いたはんだ付けでは２℃/秒程度の加熱速度であり、レーザー溶融と比較し溶融速度は遅くなる。そのため、固相線と液相線が４０℃以上離れていると溶け方が一定でなく溶け分かれが起こり、リフロー濡れ性に問題が発生してしまう事がある。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水晶デバイス、ＳＡＷフィルターやＭＥＭＳ等のリフロー接合時においても十分に使用できるリフロー濡れ性に優れ、且つ加工性や信頼性にも優れた高温用Ａｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金を低コストで提供することである。
　そこで、上記目的を達成するために本発明によるＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金は、Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ及び製造上不可避に含まれる元素から構成され、固相線が２８０～４００℃以内で且つ固相線と液相線が４０℃以内となるように調整された組成であることを特徴としている。
　また、本発明においてはＳｎを２１．１質量％以上３１．０質量％未満含有し、Ａｇを０．１質量％以上１２．５質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることが好ましい。
　また、本発明においてはＳｎを２１．１質量％以上３１．０質量％未満含有し、Ａｇを０．１質量％以上８．０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることが好ましい。
　また、本発明においてはＳｎを２１．１質量％以上２７．５質量％未満含有し、Ａｇを３．０質量％以上８．０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることが好ましい。
　また、本発明においては圧延加工後の表面粗さが１μm以下であることが好ましい。
　また、本発明においては鋳造時の冷却速度が３℃/秒以上であることが好ましい。
　一方、本発明のはんだ材料は上記のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金を用いて枠状，シート状又はリボン状に加工したことを特徴としている。
　また、本発明の電子部品は上記のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金又は上記のはんだ材料を用いて封止されていることを特徴としている。
　また、本発明の電子部品搭載装置は上記のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金又は上記のはんだ材料を用いて封止された電子部品が搭載されていることを特徴としている。
　本発明によれば、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される箇所に使われるはんだ材料を従来のＡｕ系はんだ材料よりも安価に提供できる。さらに、本発明のはんだ合金は加工性にも優れるため、高温鉛フリーのはんだ材料を生産性よく製造でき、より一層の低コスト化を実現できる。その結果、十分なリフロー濡れ性、優れたはんだ加工性、高い信頼性を有するＡｕ系はんだ材料を提供できる。したがって、工業的な貢献度は極めて高い。
Ｎｉ層（メッキ）を有するＣｕ基板上に各試料のはんだ材料をはんだ付けしチップを接合した状態を示す濡れ性試験の模式図である。
　本発明者は鋭意研究を重ねた結果、添加元素の組成だけでなく、固相線と液相線による融点の温度範囲を適切な範囲に維持することにより、リフロー濡れ性とはんだ加工性に優れたＡｕ系はんだ合金が得られることを見出し、本発明に至った。
　以下、本発明のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金について詳しく説明する。本発明のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金は、Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ及び製造上不可避に含まれる元素から構成され、固相線が２８０～４００℃以内で且つ固相線と液相線が４０℃以内となるように調整された組成である。この様な構成と組成により、十分なリフロー濡れ性を保つことができ、優れたはんだ加工性も得る事ができる。
　また上記固相線と液相線の温度範囲を満足させるために、Ｓｎを２１．１質量％以上３１．０質量％未満含有し、Ａｇを０．１質量％以上１２．５質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなる組成とする。このような組成とすることにより、非常に高コストであるＡｕ系はんだ合金のコストを下げる事ができる。
　さらに圧延加工後の表面粗さＲａを１μｍ以下とすることでより良好な濡れ性を得ることができる。
　また、はんだ合金鋳造時の冷却速度を３℃/秒以上にすることによってさらに良好なリフロー濡れ性を得る事ができる。
　以下、本発明のはんだ合金に必須の元素等について、さらに詳しく説明する。
＜Ａｕ＞
　Ａｕは本発明のはんだ合金の主成分であり、必須の元素である。Ａｕはほぼ酸化しないため、封止用はんだ材料や高い信頼性が要求される電子部品等の接合はんだ材料として、特性面においては最も適している。このため、水晶デバイスやＳＡＷフィルターの封止用としてＡｕ系はんだ材料が多用されている。本発明のはんだ合金もＡｕを基本とし、このような高信頼性を要求される技術分野に属するはんだ材料を提供する。ただし、Ａｕは非常に高価な金属であるため、コスト面から敬遠されることが多く、一般的なレベルの信頼性を要求される電子部品にはほとんど使用されていない。本発明のはんだ合金は、Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ合金とすることにより、リフロー濡れ性とはんだプリフォーム加工性をＡｕ－２０質量％Ｓｎはんだ合金と同等以上とし、かつＡｕ含有量を減らしてコストを下げたものである。
＜Ｓｎ＞
　Ｓｎは本発明のはんだ合金において必須の元素である。Ｓｎの含有量は２１．１質量％以上３１．０質量％未満である。その理由としては、Ａｇを添加した組成において、Ｓｎが２１．０質量％以下であると、初晶のＡｕ５Ｓｎ１金属間化合物(以下ζ相)が急激に増え、液相線が急激に上昇する。これにより、液相線と固相線の差が大きくなりすぎて溶け分かれを生じるため、リフロー濡れ性が悪くなってしまう。更に、ζ相の初晶粒が大きくなるため加工性も大幅に低下してしまう。加えて、Ａｕ含有量を減らすことができず、コストダウンの効果も得られない。一方、Ｓｎの含有量が３１．０質量％以上になると、Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物(以下ε相)が発生し斜方晶であるために脆くなり、加工性が極端に悪くなるため圧延加工が困難となる。さらに、初晶としてＡｇ３Ｓｎ１金属間化合物等も発生し、液相線と固相線の差も大きくなり、リフロー濡れ性が悪くなってしまう。これらの特性悪化により、Ａｕ系はんだ材料の特徴である良好な濡れ性が得られず、高い接合信頼性を得ることが難しくなってしまうため好ましくない。
　Ｓｎ含有量が２１．１質量％以上２７．５質量％以下でＡｇ添加量が本発明の範囲内であれば固相線が３５３℃以下となり、はんだ付け温度が下がり酸化影響等を少なくでき、リフロー濡れ性が良い条件ではんだ付けをすることもできるため、一層好ましい。
＜Ａｇ＞
　Ａｇは本発明のはんだ合金において必須の元素である。合金の融点としては、高温はんだ材料を用いる実装部品に求められる耐熱性から２６０℃以上が必須条件である。また、装置作業性も考慮したリフロー温度上限が４００℃である事から、融点を２８０～４００℃以内にすることが求められている。さらに固相線と液相線を４０℃以内とすることで、リフロー時の溶け分かれが起こらずリフロー濡れ性が保たれる。これらのことから、融点が２８０～４００℃以内かつ固相線と液相線が４０℃以内の組成とする必要がある。
　合金組織は、Ａｇを添加することでζ相のＡｕの一部がＡｇに置換され、(Ａｕ(１-ｘ)Ａｇｘ）５Ｓｎ１金属間化合物となる。具体的には、Ａｇ添加によりＡｕと置換されたＡｇの比率xを０～２／３とし、Ａｇの含有量は０．１質量％以上１２．５質量％以下とする。さらに、構成物であるＡｕＳｎ金属間化合物と(Ａｕ(１-ｘ)Ａｇｘ）５Ｓｎ１金属間化合物の割合を制御し、融点が２８０～４００℃以内でかつ固相線と液相線が４０℃以内の組成にすることが重要になる。
　このように、リフロー時の溶け分かれが起こらずリフロー濡れ性が保たれ、さらにＡｇ添加により加工性も向上させることができるＡｇの含有量は０．１質量％以上１２．５質量％以下である。０．１質量％未満では性能向上効果がほとんどみられず、コスト低減効果もほとんど無い。一方、１２．５質量％を超えると、Ａｇ３Ｓｎ１金属間化合物が発生し斜方晶であるために脆くなり、加工性が極端に悪くなるため圧延加工が困難となる。さらに、このＡｇ３Ｓｎ１金属間化合物の発生により、固相線と液相線の差が大きくなりすぎ、リフロー濡れ性や加工性が悪化してしまう。
　Ａｇ含有量が０．１質量％以上８．０質量％以下でＳｎ添加量が本発明の範囲内であれば固相線が３５０℃以下となり、はんだ付け温度が下がり酸化影響等を少なくでき、リフロー濡れ性が良い条件ではんだ付けをすることもできるため、一層好ましい。
　さらにＡｇ含有量が３．０質量％以上８．０質量％以下でＳｎ添加量が本発明の範囲内であれば、固相線が３５０℃以下となり、はんだ付け温度を下げて酸化影響等が少なくなりリフロー濡れ性がより良い条件ではんだ付けをすることができ、かつＡｕ使用率の低減による低コスト化の効果が十分に発揮されるため、より一層好ましい。
　Ａｇ含有量が３％以下は、省Ａｕ率が少なく当初の目的である省コスト化に十分な効果が得られないため、３％以上の含有がより好ましい。
＜不純物＞
　本発明のはんだ合金は、Ａｕを主成分とし、かつＳｎ及びＡｇを必須添加元素とする。はんだ合金中には、Ｃｕ、Ｎｉなどの不可避不純物を、本発明のはんだ合金の性質に影響を及ぼすことのない範囲で含むことができる。
　不可避不純物を含む場合、固相線や濡れ性、接合信頼性への影響を考慮して、総計が１００ｐｐｍ未満であることが望ましい。
＜Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金の製造＞
　本発明のＡｕ基はんだ合金の製造方法は、特に限定されず、上記した各成分を用いて、従来公知の方法により製造することができる。
　原料としては、ショット形状または個片加工品の直径が５ｍｍ以下、特に３ｍｍ以下の微細なものを用いる。微細なものを用いると、得られるはんだ合金内に５０μｍ未満の結晶粒を形成しやすくすることができ、それにより加工性が向上するので好ましい。
　この原料を溶解炉に入れ、原料の酸化を抑制するために窒素や不活性ガス雰囲気とし、４００～６００℃、好ましくは４５０～５００℃で加熱溶融させる。このとき、例えば、内径が３０ｍｍ以下で肉厚が１０ｍｍ程度の円筒状の黒鉛製鋳型を使用することができる。金属が溶融しはじめたらよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように十分に攪拌を続ける。攪拌時間は、装置や原料の量などによっても異なるが、１～５分間とすることが好ましい。
　その後、この鋳型の外側に熱伝導性の良い材料、例えばＣｕからなる冷やし金を密着させる。望ましくは、冷やし金を中空構造として冷却水を通水した冷やし金を鋳型の外側に密着させ、組成にもよるが２８０℃程度まで３℃／秒以上の冷却速度とする。このような冷却速度にすることで、共晶部であるラメラ組織を５μｍ以下に微細化でき、濡れ性が向上するので好ましい。
　さらに、２０℃／秒以上の冷却速度で速やかに冷却固化させると、濡れ性がさらに向上するのでより好ましい。これは、共晶のラメラ組織以外のほとんどの析出物の結晶粒径が２０μｍ未満となるはんだ合金の鋳塊を確実に安定して作製することができるためである。
　また、生産性を考慮して連続鋳造法を用いる場合には、連続鋳造してできる鋳塊の断面積が小さくなる形状とすることで冷却速度を向上させることができるので好ましい。例えば、内径が３０ｍｍ以下のダイスを用い、且つ溶湯を短時間で冷却固化させるために、ダイスを水冷ジャケットで覆って５０℃／秒以上の冷却速度で冷却することが好ましい。
　こうして得られる本発明のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金は、固相線が２８０～４００℃以内で且つ固相線と液相線の差が４０℃以内である。この特性により、リフロー炉での基板への接合時に溶け分かれ等が起きずに、安定したリフロー濡れ性が得られ電子部品内部の良好なはんだ接合が達成できる。
　固相線は、示差走査熱量測定装置（ＤＳＣ）を用いて測定され、２８０℃以上４００℃以下が好ましい。さらに、融点が３５０℃以下であればはんだ付け温度を下げて酸化影響等を少なくでき、リフロー作業性が良くなるため、２８０℃以上３５０℃以下がより好ましい。
　固相線が２８０℃未満のものは、十分な耐熱性が得られないため、好ましくない。固相線が４００℃を超える組成では、リフロー温度も４００℃を超える温度にする必要がある。４００℃を超えると、残留酸素による酸化等の影響が顕著になり濡れ性が極端に悪くなるため、好ましくない。さらにリフロー温度が高くなると、作業性も他と比べ悪化してしまうため、好ましくない。固相線が３５０℃以下だと、残留酸素による酸化の影響がほとんど見られないのでより好ましい。
　また、液相線は、示差走査熱量測定装置（ＤＳＣ）による測定及び溶融試験を用いて確認され、固相線と液相線の差が４０℃以内とする必要があり、２０℃以内とすることがより好ましい。
　固相線と液相線の差が４０℃を超えると、溶融が開始してもしばらくの間固化している部分が存在する場合がある。そうすると、濡れ性が均一でなくなり溶融形状が歪な形状で溶けるようになり、接合面や接合範囲に異常が出るような状態となってくるので好ましくない。固相線と液相線の差が２０℃以内だと、溶融開始の時間をほぼ同時にすることが出来るため、より均一で良好な溶融形状にすることが出来るのでより好ましい。
　本発明のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金は、圧延加工後の表面粗さＲａが、１．０μm以下であると濡れ性が向上するため好ましい。Ｒａが０．７μｍ以下であると濡れ性がさらに向上するためより好ましい。表面粗さＲａの測定は、シート状に加工した各試料の表面粗さＲａを表面粗さ計付きレーザー顕微鏡(ＬＥＸＴ　ＯＬＳ４０００)により測定し、算術平均粗さＲａを算出する。この算術平均粗さＲａは日本工業規格JIS B0601(1994)が参照される。
　なお本発明のＡｕ基はんだ合金は、電子部品のボンディングや封止方法に使用され、電子部品実装基板を容易に製造することができる。
　本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　前述の製造方法に従って冷却速度を制御しながら製造を行い、具体的な鋳型としては圧延用に厚さ３ｍｍ×幅４０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状の合金が得られるものを使用し、試料１のはんだ母合金を作製した。また、原料の混合比率を変えた以外は試料１と同様にして試料２～３４のはんだ母合金を作製した。次に、上記試料１～３４の各はんだ母合金について、温間圧延機を用いてシート状に加工した。
以下、作製した試料の測定方法と評価方法について説明する。
１．試料の測定方法
　各測定方法を下記に記載し、結果を下記の表１に示す。
（１）組成分析
　ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ　Ｓ－８１００）を用いて組成分析を行った。
（２）固相線と液相線
　示差走査熱量測定装置（ＤＳＣ）および溶融試験を用いて測定した。
（３）表面粗さ測定
　シート状に加工した各試料の表面粗さを表面粗さ計付きレーザー顕微鏡(ＬＥＸＴ　ＯＬＳ４０００)にて測定し、平均粗さＲａを算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
２．試料の評価方法
　各評価方法を下記に記載し、結果を下記の表２に示す。
（１）はんだ合金の加工性
　試料１～３４の各はんだ母合金について、温間圧延機を用いてシート状に加工してクラック等の発生率で加工性の評価とした。
　圧延条件はすべての試料において同じであり、圧延回数は５回、圧延速度は１５～３０ｃｍ／秒、ロール温度は２５０℃とし、５回の圧延で５０．０±２．５μｍまで圧延した。圧延後の各試料において、シート１０ｍあたり、クラックや割れが発生しなかった場合を「良」、クラックや割れが１個以上発生した場合を「不良」として、加工性の評価とした。
（２）リフロー濡れ性
　３ｍｍ角で厚さ５０μｍに打ち抜いたはんだ材料を用いて基板との接合試験を下記記載のリフロー炉で行って濡れ性の評価をした。
　リフロー濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）で、まずヒーター部の周囲４箇所から窒素を流し（窒素流量：各１２Ｌ／分）、ヒーター設定温度を３８０℃にして加熱した。
　窒素が試験機内に十分に充填され、ヒーター温度が設定値で安定した後、図１に示す接合体を作製するために、Ｎｉメッキ（膜厚：３.０μｍ）したＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）１をヒーター部にセッティング後、２５秒加熱した。次に、試料１～３４のはんだ材料２をＣｕ基板１の上に載せ、２５秒加熱した後、３ｍｍＳＱチップ３をはんだ材料２の上に載せて接合し、図１に示す接合体を作製した。接合後はＣｕ基板を窒素雰囲気中の冷却ゾーンで冷却し、大気中に取り出した。
　接合性を確認するため、１０個のサンプルで試験を行い、３ｍｍＳＱチップよりはんだ合金が広がりフィレットが形成されている場合を「優」、３ｍｍＳＱチップにはんだ合金が広がっているがフィレットが一部のみ形成されている場合を「良」、３ｍｍＳＱチップにはんだ合金が広がっているが四辺ともフィレットが形成されていない場合を「可」、はんだ広がりが悪くチップサイズより収縮しているものが１個以上発生した場合を「不良」として、リフロー濡れ性の評価とした。
　なおフィレットとは、接合したはんだ合金がチップ側面やＣｕ基板上に濡れ広がることにより形成される、裾広がりの形状の事をいう。
（３）接合信頼性
　本接合体を用いて、まず２６０℃で１０秒のはんだ耐熱試験を３回行った後、－５５℃／１２５℃の温度サイクル試験を３００サイクル実施した。その後に断面研磨により接合部の観察を行った。
　信頼性評価として、チップおよび接合部に割れの発生がない場合を「良」とし、割れが発生した場合を「不良」と評価した。
　上記評価で不良が見られなければ、接合信頼性は基準を満たしているが、より過酷な環境での使用も考慮し、３００サイクルで不良の見られなかった試料に関しては、５００サイクルの試験も実施し、より高い接合信頼性の確認を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 （注）表中の＊を付した試料は比較例である。
　上記表２から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１～２６のうち特に試料４～１５のはんだ母合金は、各評価項目において良好な特性を示している。つまり、加工性は良好であり、シートに加工してもクラック等の発生はなく、比較例である試料２７～３４と比較してもはんだ加工性が優れることが分かる。試料４～１５のリフロー濡れ性は「優」であり、そして、信頼性に関する評価であるヒートサイクル試験においても良好な結果が得られており、５００サイクル経過後も不良が現れなかった。なお、試料９～１０は評価にはすべて合格しているが、試料４～８、１１～１５と比較すると、Ａｇの添加量が少なく、Ｓｎの従来組成２０．０％からの増加量も少ないため、Ａｕの削減量が５％以下となり、コストダウンの効果は少ない。
　試料１～３、１６～１７のＡｇが８．１％以上且つＳｎが２６．４％以上であるサンプルでは、試料４～１５と比較してリフロー濡れ性がやや低下しており、一部にフィレット形成不足が確認され、リフロー濡れ性は「良」となった。ヒートサイクル試験では３００サイクル経過後は不良の発生はなかったが、５００サイクル経過後はフィレット不足部分からクラック発生がみられ、不良となった。フィレット形成不足により、熱応力が分散されず、応力がかかりクラックになったと考えられる。なお、試料２はほぼ３元共晶の状態で試料１もそこに近いため固液相の温度差は２０℃以内と小さく、また試料３と試料１７も固液相の温度差は約２１～２２℃と小さいにもかかわらず、これらのリフロー濡れ性が「良」となるのは、固相線が３５０℃以上であるため、リフロー温度が上昇し酸化などの影響が出てくるためである。
　試料１８，２０，２２，２４のサンプルは、ＡｇとＳｎ共に指定組成範囲内で、固液相の温度差が４０℃以内であり、はんだ合金の加工性は良好であった。しかし、これらは加工時の圧延面の表面粗さが１．０μｍを超えた１．１μｍの粗いサンプルであり、リフロー濡れ性が低下しチップサイズまではんだ合金は広がったが、フィレットがほとんど形成されず「可」となった。ヒートサイクル試験では３００サイクル経過後は不良の発生はなかったが、５００サイクル経過後はクラック発生がみられ、不良となった。
　試料１９，２１，２３，２５のサンプルは、ＡｇとＳｎ共に指定組成範囲内で、固液相の温度差が４０℃以内であり、はんだ合金の加工性は良好であった。しかし、これらは鋳造時の冷却速度を遅くしたサンプルで結晶粒サイズが制御されておらずラメラ組織が粗大になっており、リフロー濡れ性が低下し「可」となった。ヒートサイクル試験は３００サイクル経過後では不良の発生はなかったが、５００サイクル経過後はクラック発生がみられ、不良となった。
　試料２６のサンプルは、溶融後に一部でフィレット形成不足が確認された試料１６と同じ組成で鋳造時の冷却速度をより速くしたサンプルである。同一組成である試料１６や２５と比較して初晶で発生した結晶粒サイズが微細になったことにより溶融しやすくなり、リフロー濡れ性が向上し「優」となった。ヒートサイクル試験では３００サイクル経過後は不良の発生はなく、５００サイクル経過後も不良が現れなかった。冷却速度を上げる事により初晶成分の結晶粒サイズが微細化され、溶融時のバラツキが解消されたためと考えられる。
　一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料２７～３４のはんだ合金は、全ての特性において不良となった。
　試料２７～３０のサンプルは、本発明のＡｇおよびＳｎの両元素の指定組成範囲に入っているが、固液相の温度差が４０℃を超えており、リフロー濡れ性・はんだ合金の加工性とも不良が発生した。なお、試料２７はＡｇが５．０質量％でありＳｎが２１．１質量％である。Ａｇが５．０質量％の場合にはＳｎが２２．８質量％のときに固液相の温度差が最小となる。Ｓｎが２１．１質量％の場合では（Ａｕ，Ａｇ）５Ｓｎ１の量が多くなり、液相線が上昇するため固液相の温度差が４０℃を超えてしまうこととなる。試料２８の場合も同様に（Ａｕ，Ａｇ）５Ｓｎ１の量が多くなり、液相線が上昇するため固液相の温度差が４０℃を超えてしまうこととなる。一方、試料２９，３０の場合はＳｎが多い割にＡｇが少ないため、Ａｕ１Ｓｎ１の量が多くなり、液相線が上昇するため固液相の温度差が４０℃を超えてしまうこととなる。
　試料３１～３４のサンプルは、ＡｇまたはＳｎが指定組成範囲から外れており、固液相の温度差が４０℃を超えており、リフロー濡れ性・はんだ合金の加工性とも不良が発生した。
　なお、本発明のはんだ材料は上記の各特性において良好な結果であるだけに留まらず、Ａｕ含有量も全体的に少なく、Ａｕ－Ｓｎ系はんだ合金において最も一般的な共晶点の組成であるＡｕ－２０質量％ＳｎよりもＡｕ含有量を十分少なくすることが可能であり、低コスト化できることが分かる。
　１　　Ｎｉメッキ付きＣｕ基板
　２　　はんだ材料
　３　　ＳＱチップ

Claims (9)

  1. 　Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ及び製造上不可避に含まれる元素から構成され、固相線が２８０～４００℃以内で且つ固相線と液相線が４０℃以内となるように調整された組成であることを特徴とするＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金。
  2. 　Ｓｎを２１．１質量％以上３１．０質量％未満含有し、Ａｇを０．１質量％以上１２．５質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴とする請求項１に記載のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金。
  3. 　Ｓｎを２１．１質量％以上３１．０質量％未満含有し、Ａｇを０．１質量％以上８．０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴とする請求項１に記載のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金。
  4. 　Ｓｎを２１．１質量％以上２７．５質量％未満含有し、Ａｇを３．０質量％以上８．０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴とする請求項１に記載のＡｕ－Ｓｎ－Ａｇ系はんだ合金。
  5. 　圧延加工後の表面粗さが１μm以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金。
  6. 　鋳造時の冷却速度が３℃/秒以上であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金。
  7. 　請求項１～６のいずれかに記載のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金を用いて枠状，シート状又はリボン状に加工したことを特徴とするはんだ材料。
  8. 　請求項１～６のいずれかに記載のＡｕ－Ａｇ－Ｓｎ系はんだ合金又は請求項７に記載のはんだ材料を用いて封止されていることを特徴とする電子部品。
  9. 　請求項８に記載の電子部品が搭載されていることを特徴とする電子部品搭載装置。
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